(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼製外皮へフラックスを充填したフラックス入りワイヤにおいて、
ワイヤ全質量に対して質量％で、
Ｃ：０．０６％以下、
Ｓｉ：０．３〜１．０％、
Ｍｎ：０．５〜３．０％、
Ｎｉ：８〜１４％、
Ｃｒ：１７〜２５％、
Ｍｏ：０．０１〜３．０％、
Ｃｕ：０．０１〜０．７５％、
Ｂｉ：０．０１〜０．１５％、
Ａｌ：０．００２〜０．１％、
Ｍｇ：０．００５〜０．１％でＡｌとＭｇの和：０．０１〜０．１５％
を含有し、さらに、スラグ剤成分として、
ＴｉＯ2：０．１〜３．０％、
ＳｉＯ2：０．５〜５．０％、
Ａｌ2Ｏ3：０．１〜１．５％、
ＺｒＯ2：０．１〜２．５％、
金属弗化物のＦ換算値：０．０１〜０．１５％
を含有し、さらに、アーク安定剤成分として、
Ｌｉ、ＮａまたはＫのアルカリ金属酸化物の１種または２種以上：０．０２〜２．０％
を含有し、かつ金属酸化物および金属弗化物の合計が４．２〜１１．４％
で、残部はＦｅおよび不可避不純物であることを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接金属の機械的性能が良好で、テンパーカラーの生成量が少ないビード外観および良好なビード形状が得られ、スパッタ発生量が少なく溶接作業性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤに関する。
【背景技術】
【０００２】
フラックス入りワイヤは、高能率で良好な溶接作業性が得られることから、被覆アーク溶接棒の需要から置換が進み、特にステンレス鋼の溶接の場合、最も使用量が多い溶接材料である。
【０００３】
しかし、市販のオーステナイト系ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤを用いてオーステナイト系ステンレス鋼の溶接を行うと、ビード表面にテンパーカラーが生成し、このテンパーカラーが耐食性の低下や、美観を損なうことから、酸洗いなどの表面処理が必要となる。したがって、工期短縮などのコストメリットを考慮した場合、テンパーカラーの生成量が少なく、溶接作業性が良好なフラックス入りワイヤが強く要望されている。
【０００４】
オーステナイト系ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤとして例えば、特許文献１に、Ｃ、Ｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｍｎなどの合金成分およびフラックス中の酸化物の適正化を図ったステンレス鋼用フラックス入りワイヤが提案されている。しかし、特許文献１に記載の技術では、溶接直後にスラグ剥離が開始されるため、ビード表面が酸化してテンパーカラーが生成するといった課題があった。
【０００５】
また、特許文献２には、溶接作業性が良好で、スパッタ発生量を抑制することができるオーステナイト系ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤが提案されている。しかし、特許文献２に記載の技術では、スパッタ発生量を減少することができても、テンパーカラーの生成量を低減できないといった課題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３０２７３１３号公報
【特許文献２】特許第２６６７６３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、溶接金属の機械的性能が良好で、テンパーカラーの生成量が少ないビード外観および良好なビード形状が得られ、スパッタ発生量が少なく溶接作業性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
テンパーカラーとは、金属表面の酸化皮膜の厚さにより、反射光の干渉に差が生じ、色調が変化する現象であり、溶接直後の高温なビード表面が大気に晒された場合、テンパーカラーが生成する。このテンパーカラーが耐食性の低下や、美観を損なうことから、表面処理が必要となる。
【０００９】
そこで、本発明者らは、前記課題を解決するためにオーステナイト系ステンレス鋼外皮に充填するフラックスの金属およびスラグ剤成分について種々検討を行った。その結果、ビード表面のテンパーカラーの生成量を低減するためには、フラックスにＭｇを添加することが有効であることが判明した。Ｍｇは、脱酸作用により溶接金属中の酸素量を低減させ、スラグの粘性および融点を調整する。また、溶接金属とスラグとの熱収縮の差によって生じるスラグ剥離の時期を遅らせて生成される酸化皮膜を抑制することにより、テンパーカラーの生成量を低減することができることが明らかとなった。
【００１０】
一方、Ｍｇの添加は、スラグの粘性が高くなり溶滴移行が円滑に行われず、溶接作業性が低下するといった課題が生じたため、更なる検討を加えた。その結果、Ａｌを添加することによって、スラグの粘性を改善し、溶接作業性を損なうことなく、ビード表面のテンパーカラーの生成量を低減することが可能になることを見出し、本発明を完成した。
【００１１】
本発明の要旨は、以下の通りである。
【００１２】
（１）鋼製外皮へフラックスを充填したフラックス入りワイヤにおいて、
ワイヤ全質量に対して質量％で、
Ｃ：０．０６％以下、
Ｓｉ：０．３〜１．０％、
Ｍｎ：０．５〜３．０％、
Ｎｉ：８〜１４％、
Ｃｒ：１７〜２５％、
Ｍｏ：０．０１〜３．０％、
Ｃｕ：０．０１〜０．７５％、
Ｂｉ：０．０１〜０．１５％、
Ａｌ：０．００２〜０．１％、
Ｍｇ：０．００５〜０．１％でＡｌとＭｇの和：０．０１〜０．１５％
を含有し、さらに、スラグ剤成分として、
ＴｉＯ2：０．１〜３．０％、
ＳｉＯ2：０．５〜５．０％、
Ａｌ2Ｏ3：０．１〜１．５％、
ＺｒＯ2：０．１〜２．５％、
金属弗化物のＦ換算値：０．０１〜０．１５％
を含有し、さらに、アーク安定剤成分として、
Ｌｉ、ＮａまたはＫのアルカリ金属酸化物の１種または２種以上：０．０２〜２．０％
を含有し、かつ金属酸化物および金属弗化物の合計が４．２〜１１．４％
で、残部はＦｅおよび不可避不純物であることを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤ。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のオーステナイト系ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤによれば、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接において、テンパーカラーの生成量が少ないビード外観および良好なビード形状が得られ、スパッタ発生量が少なく溶接作業性および溶接金属の機械的性能に優れ、高品質な溶接部が得られる。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤの外皮および充填フラックスの各成分組成それぞれの共存による単独および相乗効果によりなし得たもので、特に、ビード表面のテンパーカラーの生成量を低減するためには、フラックスにＭｇをワイヤ全質量に対して０．００５〜０．１質量％添加することが有効であること、しかし、Ｍｇの添加は、スラグの粘性が高くなり溶滴移行が円滑に行われず、溶接作業性が低下するため、Ａｌをワイヤ全質量に対してＡｌとＭｇの合計量０．０１〜０．１５％添加することによって、スラグの粘性を改善し、溶接作業性を損なうことなく、ビード表面のテンパーカラーの生成量を低減することが可能になることを見出して、オーステナイト系ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤの成分設計を行なったものである。
【００１５】
以下にそれぞれの各成分組成の添加理由および限定理由を述べる。なお、各成分組成の含有量％は、ワイヤ全質量に対する質量％で示す。
【００１６】
まず、スラグ剤成分について説明する。
【００１７】
ＴｉＯ２：０．１〜３．０％、
ＴｉＯ２は、アークを安定にする。ＴｉＯ２が０．１％未満では、アークが不安定となる。一方、３．０％を超えると、スラグの剥離時期が早くなってテンパーカラーが生成する。従って、ＴｉＯ２は０．１〜３．０％とするが、好ましくは０．１５〜２．７５％である。ＴｉＯ２としては、ルチール、チタンスラグ、イルミナイト、チタン酸カリ、チタン酸ソーダ等が使用できる。
【００１８】
ＳｉＯ２：０．５〜５．０％、
ＳｉＯ２は、スラグの粘性調整に必要でスラグ被包性およびビード形状を良好にする。ＳｉＯ２が０．５％未満では、スラグの粘性が高くビード形状が不均一となる。一方、５．０％を超えると、スラグが流れやすくなりスラグ被包性が悪くビード外観が不良となる。従って、ＳｉＯ２は０．５〜５．０％とするが、好ましくは１．０〜４．５０％である。ＳｉＯ２としては、硅砂、硅石の他、カリ長石等が使用できる。
【００１９】
Ａｌ２Ｏ３：０．１〜１．５％、
Ａｌ２Ｏ３は、アークを安定にする。Ａｌ２Ｏ３が０．１％未満では、アーク集中性に欠けてアークが不安定となる。一方、１．５%を超えると、スラグ剥離性が悪くなるため、Ａｌ２Ｏ３は０．１〜１．５％とするが、好ましくは０．１３〜１．１３％である。
【００２０】
ＺｒＯ２：０．１〜２．５％、
ＺｒＯ２は、スラグ被包性を改善する効果がある。ＺｒＯ２が、０．１％未満では、スラグの粘性が低く十分なスラグ被包性が得られずビード外観が不良となる。一方、２．５％を超えると、スラグ粘性が増加して溶滴移行が円滑に行われずスパッタ発生量が増加する。従って、ＺｒＯ２は０．１〜２．５％とするが、好ましくは１．２〜２．２１％である。
【００２１】
金属弗化物のＦ換算値：０．０１〜０．１５％、
金属弗化物は、スラグ融点の調整として必要でスラグ被包性およびスラグ剥離性を良好とする目的で添加する。金属弗化物のＦ換算値が０．０１％未満ではスラグ被包性が悪くビード外観およびスラグ剥離性が悪くなる。しかし、０．１５％を超えると、スラグの融点が著しく低下してビード形状が不良となる。従って、金属弗化物のＦ換算値は０．０１〜０．１５％とする。金属弗化物はＮａＦ、ＬｉＦ、ＣａＦ２、ＡｌＦ３、Ｋ２ＺｒＦ６、Ｋ２ＳｉＦ６等が使用でき、いずれの金属弗化物を使用しても同様な効果が得られる。
【００２２】
金属酸化物および金属弗化物のスラグ剤成分の合計が４．２〜１１．４％、
フラックス中の金属酸化物および金属弗化物のスラグ剤成分の合計は、スラグ被包性、スラグ剥離性およびビード形状を良好にする。スラグ剤成分の合計が４．２％未満では、スラグ量が少なくなりビード形状が劣化する。一方、スラグ剤成分の合計が１１．４％を超えると、スラグ量が過剰となりスラグが不均一に被包してビード外観およびスラグ剥離性を悪くする。従って、スラグ剤成分の合計は４．２〜１１．４％とする。
【００２３】
また、フラックス中には、従来と同様に、合金剤（鉄粉を含む）、脱酸剤およびアーク安定剤を添加することができる。
【００２４】
従来と同様に、合金剤としては、金属粉または合金粉として添加することができ、そして、溶着金属の機械的性能を得るために添加する脱酸剤としては、鋼製外皮およびフラックス成分中に、例えば、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ或いはそれらの鉄合金として含有させることができ、また、アーク安定剤としてはＬｉ、Ｎａ、Ｋ等を弗化物、炭酸塩、酸化物等の形態で合わせて０．０２％以上、好ましくは０．０５〜２．０％添加することにより、極めて安定したアークとすることができる。
次に、鋼製外皮およびフラックス中の他の成分について説明する。
【００２５】
Ａｌ：０．００２〜０．１％、
Ａｌは、０．００２％以上含有することによってアークを安定にする効果がある。一方、Ａｌが０．１％を超えると、アークが不安定となる。従って、Ａｌは、０．００２〜０．１％とする。
【００２６】
Ｍｇ：０．００５〜０．１％、
Ｍｇは、溶接金属とスラグとの熱収縮の差によって生じるスラグ剥離の時期を改善し、テンパーカラーの生成量を低減する効果がある。Ｍｇが０．００５％未満であると、テンパーカラー生成量の低減効果が得られない。一方、０．１％を超えると、スラグの粘性が高くなりスラグ剥離性が劣化する。従って、Ｍｇは、０．００５〜０．１％とするが、好ましくは０．０２〜０．０８％である。
【００２７】
ＡｌとＭｇの和：０．０１〜０．１５％、
さらに前記ＡｌとＭｇの和を０．０１〜０．１５％、好ましくは０．０５〜０．１２％にすることにより、スラグの融点および粘性を改善してアークを安定にする。ＡｌとＭｇの和が０．０１％未満では、アークが不安定となる。一方、０．１５％を超えると、スラグ量が増加してスラグ剥離性が悪くなる。
【００２８】
Ｃ：０．０６％以下、
Ｃは、Ｃｒと化合して炭化物を生成して溶接金属の耐食性および靭性を劣化させるため、少ないほうが好ましく、Ｃの含有量は０．０６％以下とする。好ましくは０．０４％以下である。
【００２９】
Ｓｉ：０．３〜１．０％、
Ｓｉは、スラグの粘性を調整してビード形状を良好にする。また、脱酸作用により溶接金属の靭性を改善する効果を有する。０．３％未満では、脱酸反応が促進されず、溶接金属中のO量が高くなり靭性が劣化する。一方、１．０％を超えると、ビード形状が凸になる。従って、Ｓｉは０．３〜１．０％とする。
【００３０】
Ｍｎ：０．５〜３．０％、
Ｍｎは、脱酸作用により溶接金属の靭性を向上する効果を有する。Ｍｎが０．５％未満では、溶接金属の靭性が劣化し、３．０％を超えると、溶滴が大きく成長してスパッタ発生量が多くなる。従って、Ｍｎは０．５〜３．０％とする。
【００３１】
Ｎｉ：８〜１４％、
Ｎｉは、溶接金属のオーステナイト組織を安定化させる効果を有する。Ｎｉが８％未満では、オーステナイトの晶出量が減少してフェライト量を増加させ靭性が劣化する。一方、１４％を超えると、オーステナイト量が増加して強度が低下する。従って、Ｎｉは８〜１４％とする。
【００３２】
Ｃｒ：１７〜２５％、
Ｃｒは、溶接金属のフェライト組織を安定化させて強度を確保する効果を有する。Ｃｒが１７％未満では、フェライトの晶出量が減少して強度が低下する。一方、２５％を超えると、溶滴が粗大となりスパッタ発生量が増加する。従って、Ｃｒは１７〜２５％とする。
【００３３】
Ｍｏ：０．０１〜３．０％、
Ｍｏは、溶接金属のフェライト相を安定化させて強度を改善する効果を有する。Ｍｏが０．０１％未満では、十分な強度が得られない。一方、３．０％を超えると、脆い金属間化合物であるσ相を生成して靭性が劣化する。従って、Ｍｏは、０．０１〜３．０％とする。
【００３４】
Ｃｕ：０．０１〜０．７５％、
Ｃｕは、極微量の添加でスパッタ発生を抑制する効果を有する。しかし、Ｃｕが０．０１％未満であると、スパッタ発生を抑制する効果が得られない。一方、Ｃｕが０．７５％を超えると、Ｃｕを含む金属間化合物を析出して靭性が劣化する。従って、Ｃｕは０．０１〜０．７５％とする。
【００３５】
Ｂｉ：０．０１〜０．１５％、
Ｂｉは、スラグ剥離性を改善する目的で添加する。Ｂｉが０．０１％未満では、スラグ剥離性が悪くなる。一方、０．１５％を超えると、溶接ビードとスラグ間に低融点化合物相を生成して溶接直後にスラグが剥離してビード表面が大気に晒されテンパーカラーが生成する。従って、Ｂｉは、：０．０１〜０．１５％とする。
【００３６】
なお、上記に述べた成分の残部は、鋼製外皮のＦｅ分、合金剤のＦｅ分、脱酸剤のＦｅ分などからのＦｅおよび不可避不純物である。また、ステンレス鋼外皮へのフラックス充填率については、ステンレス鋼外皮へのフラックス充填率が１８％未満では、外皮の肉厚が厚くなり、溶滴が肥大化してアークが不安定となる。一方、３０％を超えると外皮の肉厚が薄く、スラグ量が過剰となりスラグ被包性が劣化する。従って、フラックス充填率は１８〜３０％とすることが好ましい。
【００３７】
フラックス入りワイヤの製造方法について言及すると、例えば外皮を帯鋼より管状に成形する場合には、配合、撹拌、乾燥した充填フラックスをＵ形に成形した溝に満たした後丸形に成形し、所定のワイヤ径まで伸線する。この際、整形した外皮シームを溶接することで、シームレスタイプのフラックス入りワイヤとすることもできる。また外皮がパイプの場合には、パイプを振動させてフラックスを充填し、所定のワイヤ径まで伸線する。
【００３８】
充填フラックスは、供給、充填が円滑に行えるように、固着剤（珪酸カリおよび珪酸ソーダの水溶液）を添加して造粒して用いることもできる。特に、微細なＴｉ酸化物を添加する場合には、充填に先立って充填フラックスを造粒することは、充填性を高めると同時に偏析を防止する上で極めて有効である。
【実施例】
【００３９】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
【００４０】
表１に示す化学成分のオーステナイト系ステンレス鋼外皮を用いて表２に示す組成のワイヤ径１．２ｍｍのステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤを各種試作した。なお、フラックス充填率は１８〜３０％とした。
【００４１】
【表１】
0005409459.tif 000002
【００４２】
【表２】
0005409459.tif 000003
【００４３】
溶接は、オーステナイト系ステンレス鋼を用いてＪＩＳ  Ｚ  ３３２３に基づいて溶着金属試験を行った。溶着金属性能は、ＪＩＳ  Ｚ  ３１１１に準拠し、引張試験および衝撃試験を行った。溶着金属性能は、引張強さ：５２０ＭＰａ以上、−２０℃における吸収エネルギー：３０Ｊ以上を良好とした。また、腐食試験は、ＪＩＳ  Ｇ  ０５７７に準拠した。試験片は、テンパーカラーの生成による耐食性の低下を考慮し、溶接後のビード状態のままで試験を行った。耐食性は、孔食電位が３００ｍＶ以上を良好とした。
【００４４】
溶接作業性は、オーステナイト系ステンレス鋼を用いて水平すみ肉溶接を行い、アーク安定性、スパッタ発生量、スラグ被包性、スラグ剥離性、ビード形状およびテンパーカラーの生成状態を調べた。
【００４５】
なお、溶着金属試験および溶接作業性の調査の溶接電流は１８０〜２５０Ａ、シールドガスはＣＯ２で実施した。それらの結果を表３にまとめて示す。
【００４６】
【表３】
0005409459.tif 000004
【００４７】
表２および表３中ワイヤＮｏ．１〜１０が本発明例、ワイヤＮｏ．１１〜２０は比較例である。本発明であるワイヤＮｏ．１〜１０は、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ａｌ、Ｍｇ、ＡｌとＭｇの和、金属弗化物のＦ換算値、スラグ剤成分の合計、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＣｕおよびＢｉの量が適正であるので、アークが安定でスパッタ発生量が少なく、スラグ被包性、スラグ剥離性およびビード形状が良好で、テンパーカラーの生成が極めて少なく、また、溶着金属性能も良好であるなど、極めて満足な結果であった。
【００４８】
比較例中ワイヤＮｏ．１１は、Ｍｎが多いのでスパッタ発生量が多く、ＴｉＯ２が多いのでテンパーカラーが生成し、孔食電位が低かった。
【００４９】
ワイヤＮｏ．１２は、Ｂｉが多いのでテンパーカラーが生成し孔食電位が低かった。また、ＴｉＯ２が少ないのでアークが不安定であった。さらに、Ｍｎが少ないので吸収エネルギーが低値であった。
【００５０】
ワイヤＮｏ．１３は、ＳｉＯ２が少ないのでビード形状が悪く、Ａｌ２Ｏ３が少ないのでアークが不安定であった。また、Ｓｉが少ないので吸収エネルギーが低値であった。
【００５１】
ワイヤＮｏ．１４は、ＳｉＯ２が多いのでスラグ被包性、Ｓｉが高いのでビード形状およびＡｌ２Ｏ３が高いのでスラグ剥離性がそれぞれ不良であった。
【００５２】
ワイヤＮｏ．１５は、ＺｒＯ２が少ないのでスラグ被包性が不良で、Ｃｒが多いのでスパッタ発生量が多かった。また、Ｎｉが少ないので吸収エネルギーが低値であった。
【００５３】
ワイヤＮｏ．１６は、ＺｒＯ２が多いのでスパッタ発生量が多く、Ｂｉが少なのでスラグ剥離性が不良であった。また、Ｎｉが多いので引張強さが低値であった。
【００５４】
ワイヤＮｏ．１７は、Ａｌが多いのでアークが不安定で、弗化物のＦ換算値が少ないのでスラグ被包性およびスラグ剥離性が不良であった。また、Ｍｇが低いのでテンパーカラーが生成したので孔食電位が低かった。さらに、Ｃｒが少ないので引張強さが低値であった。
【００５５】
ワイヤＮｏ．１８は、Ｍｇが多いのでスラグ剥離性が、弗化物のＦ換算値が多いのでビード形状が不良であった。また、Ｃｕが多いので吸収エネルギーが低値であった。
【００５６】
ワイヤＮｏ．１９は、ＡｌとＭｇの和が多いのでスラグ剥離性が不良で、スラグ剤の合計が少ないのでビード形状も不良であった。また、Ｍｏが少ないので引張強さが低値であった。
【００５７】
ワイヤＮｏ．２０は、ＡｌとＭｇの和が少ないのでアークが不安定であった。また、スラグ剤の合計が多いのでスラグ被包性およびスラグ剥離性が不良であった。さらに、Ｍｏが多いので吸収エネルギーが低値であった。
【００５８】
ワイヤＮｏ．２１は、Ａｌが少ないので、アークが不安定であった。また、Ｃが多いので、吸収エネルギーが低値で、孔食電位も低かった。さらにＣｕが低いので、スパッタ発生が多かった。